(57)【要約】【課題】時間帯ごとの発電計画に沿って正確に燃料電池の発電量を制御することが可能な燃料電池の出力制御技術を提供する。【解決手段】各時間帯における燃料電池２の予定発電量を記憶する運転計画記憶手段３に記憶された予定発電量に従って燃料電池２の出力電力を切り換える場合に、燃料電池２内の化学反応系の環境温度が準熱平衡状態を維持することが可能な変化率をもって燃料電池２の出力電力を切り換えるとともに、出力電力の切り換え過渡期の時間区間内に燃料電池２が出力する電力量が、当該時間区間に予定発電量に沿ってステップ的に燃料電池２の出力電力を切り換えたと仮定した場合に当該時間区間内に燃料電池２が出力する電力量と等しくなるように出力電力を変化させる。【選択図】          図１
2005019032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各時間帯における燃料電池の予定発電量を記憶する運転計画記憶手段と、
前記予定発電量に従って、各時間帯において燃料電池の出力電力を切り換えるように制御する発電出力切換手段と、
を備え、
前記発電出力切換手段は、前記燃料電池内の化学反応系の環境温度が準熱平衡状態を維持することが可能な変化率により燃料電池の出力電力を変化させるとともに、出力電力の切り換え時間区間内に燃料電池が出力する電力量が、当該時間区間に前記予定発電量に沿ってステップ的に燃料電池の出力電力を切り換えたと仮定した場合に当該時間区間内に燃料電池が出力する電力量と等しくなるように出力電力を変化させること
を特徴とする燃料電池の出力制御装置。
【請求項２】
前記発電出力切換手段は、前記予定発電量が時刻ｔ０に出力電力をＦ１からＦ２に切り換えることとされている場合、前記燃料電池内の化学反応系の環境温度が準熱平衡状態を維持することが可能な発電量の時間変化率ｓに対して、出力電力をＦ１からＦ２に切り換え始める時刻を時刻ｔ０から時間Δｔ＝（Ｆ２−Ｆ１）／（２ｓ）だけ前にずらすとともに、前記燃料電池の発電量を時間変化率ｓで変化させること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池の出力制御装置。
【請求項３】
各時間帯における燃料電池の予定発電量を記憶する運転計画記憶手段に記憶された前記予定発電量に従って、各時間帯において燃料電池の出力電力を切り換えるように制御する燃料電池の出力制御方法であって、
前記予定発電量に従って前記燃料電池の出力電力を切り換える場合に、前記燃料電池内の化学反応系の環境温度が準熱平衡状態を維持することが可能な変化率をもって燃料電池の出力電力を切り換えるとともに、出力電力の切り換え過渡期の時間区間内に燃料電池が出力する電力量が、当該時間区間に前記予定発電量に沿ってステップ的に燃料電池の出力電力を切り換えたと仮定した場合に当該時間区間内に燃料電池が出力する電力量と等しくなるように出力電力を変化させること
を特徴とする燃料電池の出力制御方法。
【請求項４】
前記予定発電量が時刻ｔ０に出力電力をＦ１からＦ２に切り換えることとされている場合、前記燃料電池内の化学反応系の環境温度が準熱平衡状態を維持することが可能な発電量の時間変化率ｓに対して、出力電力をＦ１からＦ２に切り換え始める時刻を時刻ｔ０から時間Δｔ＝（Ｆ２−Ｆ１）／（２ｓ）だけ前にずらすとともに、前記燃料電池の発電量を時間変化率ｓで変化させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池の出力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の出力制御技術に関し、特に、各時間帯における燃料電池の発電量が一定となるような燃料電池の出力制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、家庭用のガス・コージェネレーション・システムに使用されるコージェネレーション装置として、燃料電池を使用してガスと水から電力と熱を出力する燃料電池が実用化されつつある。
【０００３】
燃料電池は、原燃料である燃料ガス（都市ガス）を、脱硫器で脱硫し、改質器において、改質触媒の共存下で水蒸気又は空気と反応させて改質ガスを生成する。そして、ＣＯ選択酸化反応器において、ＣＯ選択酸化触媒の共存下において改質ガスに空気等を添加して、ＣＯを酸素で選択的に酸化させてＣＯ２に変換する。これにより、改質ガス中のＣＯ濃度を低減させ、水素リッチガスを生成する。この水素リッチガスをセルスタックにおいて酸素（空気）と反応させて電力を得るとともに、反応時に発生する熱を冷却水により取り出す（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような燃料電池を使用したガス・コージェネレーション・システムでは、燃料電池が発電する電力と商用電源から供給される電力を併用して、電力負荷に対する電力供給が行われる。一般によく用いられる方法としては、時間帯ごとに過去の電力負荷の電力消費量の実績値から先の電力消費量を予測し、予測電力消費量に従属させて燃料電池の発電量を制御する電主運転などがある。また、電力消費と給湯器等の熱負荷の熱消費の予測値の双方から時間帯ごとに燃料電池の発電量を制御する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
このように、電力消費や熱消費の予測値から時間帯ごとに燃料電池の発電量を制御することにより、ガス・コージェネレーション・システム全体のエネルギー利用効率を高め、省エネルギー化を図っている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−１２３０２号公報
【特許文献２】
特開２００３−６１２４５号公報，図４
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、燃料電池は改質器やＣＯ選択酸化反応器によって燃料ガスを空気や水と反応させて水素リッチガスを生成し、この水素リッチガスと酸素（空気）との反応により電力を取り出すものである。この際、改質器やＣＯ選択酸化反応器では触媒を使用した化学反応を行う必要があるため、発電量によらず反応温度を一定にする必要がある。
【０００８】
従って、実際に燃料電池による発電量の制御を行う場合、ある時間帯が経過した後に発電量の切り替えを行おうとした場合、改質器やＣＯ選択酸化反応器の温度を安定して一定に維持しながら、燃料ガスの供給量を変化させる必要がある。しかし、燃料ガスの量を変化させると、化学反応に伴い生じる熱量が変化するため、改質器やＣＯ選択酸化反応器の温度を安定して一定に維持することが難しい。従って、準熱平衡状態とみなされるような状態を維持しつつ燃料ガスの量を変化させるには、必然的に一定の時間が必要となり、発電量の変化に遅延が生じる。従って、電力消費や熱消費の予測値によって最適化された発電計画どおりに発電量の制御を行うことが困難であり、充分にエネルギー利用効率を向上させることができないという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、時間帯ごとの発電計画に沿って正確に燃料電池の発電量を制御することが可能な燃料電池の出力制御技術を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池の出力制御装置の第１の構成は、各時間帯における燃料電池の予定発電量を記憶する運転計画記憶手段と、前記予定発電量に従って、各時間帯において燃料電池の出力電力を切り換えるように制御する発電出力切換手段と、を備え、前記発電出力切換手段は、前記燃料電池内の化学反応系の環境温度が準熱平衡状態を維持することが可能な変化率により燃料電池の出力電力を変化させるとともに、出力電力の切り換え時間区間内に燃料電池が出力する電力量が、当該時間区間に前記予定発電量に沿ってステップ的に燃料電池の出力電力を切り換えたと仮定した場合に当該時間区間内に燃料電池が出力する電力量と等しくなるように出力電力を変化させることを特徴とする。
【００１１】
この構成により、出力電力の切り換え時の燃料電池の出力電力の追随が遅い場合でも、各時間帯における電力量が予定発電量に従った電力量となるように調整される。従って、燃料電池が出力する電力量を精度よく制御することが可能となる。
【００１２】
ここで、「燃料電池内の化学反応系」とは、改質器やＣＯ選択酸化反応器等の化学反応系をいう。また、「化学反応系の環境温度」とは、この化学反応系において生じる化学反応の温度をいい、具体的には、触媒温度や流入ガス温度等をいう。
【００１３】
この場合、燃料電池の出力電力の変化のさせ方は、直線的に変化させてもよいし、所定のカーブに沿って変化させるようにしてもよい。
【００１４】
本発明の燃料電池の出力制御装置の第２の構成は、前記第１の構成において、前記発電出力切換手段は、前記予定発電量が時刻ｔ０に出力電力をＦ１からＦ２に切り換えることとされている場合、前記燃料電池内の化学反応系の環境温度が準熱平衡状態を維持することが可能な発電量の時間変化率ｓに対して、出力電力をＦ１からＦ２に切り換え始める時刻を時刻ｔ０から時間Δｔ＝（Ｆ２−Ｆ１）／（２ｓ）だけ前にずらすとともに、前記燃料電池の発電量を時間変化率ｓで変化させることを特徴とする。
【００１５】
この構成により、出力電力の切り換え時間区間内に燃料電池が出力する電力量はｔ・Ｆ１＋ｔ・（Ｆ２−Ｆ１）／２となり、当該時間区間に予定発電量に沿ってステップ的に燃料電池の出力電力を切り換えたと仮定した場合に当該時間区間内に燃料電池が出力する電力量と等しくなる。また、このように一定の傾きをもって直線的に変化させる場合、制御が容易である。
【００１６】
本発明の燃料電池の出力制御方法の第１の構成は、各時間帯における燃料電池の予定発電量を記憶する運転計画記憶手段に記憶された前記予定発電量に従って、各時間帯において燃料電池の出力電力を切り換えるように制御する燃料電池の出力制御方法であって、前記予定発電量に従って前記燃料電池の出力電力を切り換える場合に、前記燃料電池内の化学反応系の環境温度が準熱平衡状態を維持することが可能な変化率をもって燃料電池の出力電力を切り換えるとともに、出力電力の切り換え過渡期の時間区間内に燃料電池が出力する電力量が、当該時間区間に前記予定発電量に沿ってステップ的に燃料電池の出力電力を切り換えたと仮定した場合に当該時間区間内に燃料電池が出力する電力量と等しくなるように出力電力を変化させることを特徴とする。
【００１７】
本発明の燃料電池の出力制御方法の第２の構成は、前記第１の構成において、前記予定発電量が時刻ｔ０に出力電力をＦ１からＦ２に切り換えることとされている場合、前記燃料電池内の化学反応系の環境温度が準熱平衡状態を維持することが可能な発電量の時間変化率ｓに対して、出力電力をＦ１からＦ２に切り換え始める時刻を時刻ｔ０から時間Δｔ＝（Ｆ２−Ｆ１）／（２ｓ）だけ前にずらすとともに、前記燃料電池の発電量を時間変化率ｓで変化させることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係る燃料電池の出力制御装置のブロック図である。本発明の実施形態に係る出力制御装置１は、運転計画記憶手段３、切換速度記憶手段４、発電出力切換手段５、及び時計６を備えている。
【００１９】
運転計画記憶手段３は、１日の各時間帯（例えば、１日を１時間ごとの時間帯に区切った場合の各時間帯）における燃料電池の予定発電量を記憶する。この運転計画記憶手段３に記憶される各時間帯の予定発電量は、各時間帯における電力負荷の電力消費や熱負荷の熱消費の予測値から、燃料電池のエネルギー利用効率を最大とするように計画されたものである。
【００２０】
切換速度記憶手段４は、燃料電池２の発電量を切り換える場合に、出力電力の切り替え時の出力電力の時間変化率（以下、「切換速度」という。）を記憶する。この場合、切換速度ｓは、燃料電池２により固有に決まる値である。また、発電量を増加させる場合と減少させる場合とで、異なる切換速度としてもよい。
【００２１】
発電出力切換手段５は、運転計画記憶手段３に記憶された予定発電量｛Ｗｐ（ｎ）｝に従って、各時間帯ｎにおいて燃料電池２の出力電力を切り換えるように制御する。この発電出力切換手段５は、燃料電池２内の改質器やＣＯ選択酸化反応器等の化学反応系の環境温度（触媒温度等）が準熱平衡状態を維持することが可能な変化率により燃料電池の出力電力を変化させる。また、発電出力切換手段５は、出力電力の切り換え時間区間内に燃料電池２が出力する電力量が、当該時間区間に予定発電量に沿ってステップ的に燃料電池２の出力電力を切り換えたと仮定した場合に当該時間区間内に燃料電池２が出力する電力量と等しくなるように出力電力を変化させる。
【００２２】
時計６は、発電出力切換手段５に対して時刻データを出力する。発電出力切換手段５は、この時刻データに従って、燃料電池２の発電量の切り換えを行う。
【００２３】
以上のように構成された本実施形態に係る燃料電池の出力制御装置について、以下その出力制御方法を説明する。
図２は本発明の実施形態に係る燃料電池の出力制御方法を表すフローチャートである。
【００２４】
まず、発電出力切換手段５は、現在の時間帯ｎの値を０に設定する（Ｓ１）。次に、発電出力切換手段５は、運転計画記憶手段３から時間帯ｎにおける予定発電量Ｗｐ（ｎ）を読み込み（Ｓ２）、切換速度記憶手段４から、燃料電池２の発電量の切換速度ｓを読み込む。
【００２５】
次に、発電出力切換手段５は、予定発電量Ｗｐ（ｎ）が時刻ｔ０に出力電力をＷｐ（ｎ−１）からＷｐ（ｎ）に切り換えることとされている場合、出力電力をＷｐ（ｎ−１）からＷｐ（ｎ）に切り換え始める時刻を時刻ｔ０から時間Δｔ＝（Ｗｐ（ｎ）−Ｗｐ（ｎ−１））／（２ｓ）だけ前にずらすように設定する（Ｓ４）。ここで、時間帯ｎが０の場合にはＷｐ（−１）の値は０とされる。
【００２６】
そして、時計６から出力される時刻データがｔ０−Δｔとなるのを持って（Ｓ５）、燃料電池２の発電量を時間変化率ｓでＷｐ（ｎ−１）からＷｐ（ｎ）まで変化させる（Ｓ６）。
【００２７】
燃料電池２の発電量がＷｐ（ｎ）になると、発電出力切換手段５は、時間帯ｎの値を１だけ繰り上げる（Ｓ７）。ここで、時間帯ｎの値が運転期間を超えていない場合には、再びステップＳ２の動作に戻る。また、時間帯ｎの値が運転期間を超えた場合、発電出力切換手段５は、現在の時間帯が経過するのを待って（Ｓ９）、燃料電池２の発電を停止させ（Ｓ１０）、動作を終了する。
【００２８】
図３は従来の出力制御方法と本発明の実施形態に係る出力制御方法による燃料電池の出力の変化を表す図である。
図３（ａ）は、従来の出力制御方法で燃料電池の発電量を制御した場合を表している。この場合、点線で表された予定発電量に対して、実際の燃料電池の発電量は遅延するため、最適化された発電計画通りに燃料電池の発電を行うことができない。
【００２９】
一方、図３（ｂ）は、本発明の実施形態に係る出力制御方法で燃料電池の発電量を制御した場合を表している。この場合、斜線で表された面積は、同じ時間区間内に予定発電量に沿ってステップ的に燃料電池２の出力電力を切り換えたと仮定した場合の当該時間区間内に燃料電池２が出力する電力量の増分と等しくなる。従って、多少の前後はするものの、最適化された発電計画にほぼ従った発電量で燃料電池２による発電を行うことが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
出力電力の切り換え時の燃料電池の出力電力の追随が遅い場合でも、各時間帯における電力量が予定発電量に従った電力量となるように調整される。従って、燃料電池が出力する電力量を精度よく制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の出力制御装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池の出力制御方法を表すフローチャートである。
【図３】従来の出力制御方法と本発明の実施形態に係る出力制御方法による燃料電池の出力の変化を表す図である。
【符号の説明】
１  出力制御装置
２  燃料電池
３  運転計画記憶手段
４  切換速度記憶手段
５  発電出力切換手段
６  時計
【図１】
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【図２】
2005019032.tif 000004
【図３】
2005019032.tif 000005